(57)【要約】 【課題】  特定次数への回折効率の高さと素子そのものの薄さとを併せ持った、回折光学素子を得ること。【解決手段】    透明材料に書き込まれる２次元的な屈折率分布を有する回折光学素子であって、  当該透明材料に、屈折率ｎ１，幅ｄ１を有する第１の屈折率領域が形成され、  以下、２≦ｉ≦ｘにおけるｉの各整数値について、屈折率ｎｉ（ｎｉ≠ｎｉ−１とする），幅ｄｉを有する第ｉの屈折率領域が、第（ｉ−１）の屈折率領域について第（ｉ−２）の屈折率領域とは反対側に（ｉ＝２のときは任意の側に）隣接して形成されていることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子である。【選択図】  図２
2007025177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明材料に書き込まれる２次元的な屈折率分布を有する回折光学素子であって、
当該透明材料に屈折率ｎ１，幅ｄ１を有する第１の屈折率領域が形成され、
以下、２≦ｉ≦ｘにおけるｉの各整数値について、屈折率ｎｉ（ｎｉ≠ｎｉ−１とする），幅ｄｉを有する第ｉの屈折率領域が、第（ｉ−１）の屈折率領域について第（ｉ−２）の屈折率領域とは反対側に（ｉ＝２のときは任意の側に）隣接して形成されていることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子。
【請求項２】
透明材料の内部に第１〜第ｘの屈折率領域が形成されていることを特徴とする、請求項１記載の屈折率制御型回折光学素子。
【請求項３】
当該透明材料がシリカガラスまたは単結晶サファイヤであることを特徴とする、請求項１〜２に記載の屈折率制御型回折光学素子。
【請求項４】
第１の屈折率領域が、当該第ｘの屈折率領域について第（ｘ−１）の屈折率領域とは反対側に隣接しており、
第１〜第ｘの屈折率領域の屈折率が、ｎ１からｎｘに至るまで、一定値ずつ漸増又は漸減することを特徴とする、請求項１〜３記載の屈折率制御型回折光学素子。
【請求項５】
当該回折光学素子がグレーティングとして用いられるものであり、
第１〜第ｘの屈折率領域が各々平行に形成されており、
当該第１〜第ｘの屈折率領域の幅ｄ１〜ｄｘが相等しいことを特徴とする、請求項４に記載の屈折率制御型回折光学素子。
【請求項６】
当該回折光学素子がバイナリレンズとして用いられるものであり、
当該２次元的な屈折率分布が，第１〜第ｘの屈折率領域が屈折率の小さい順又は大きい順に同心円状に並ぶような繰返しパターンを有するものであって、
当該同心円の中央には、第ｊ（１≦ｊ≦ｘ）の屈折率領域が第１の同心円を外周とした円形に形成されており、
以下、（１）１≦ｉ≦（ｘ−１）の場合には、第ｉの屈折率領域の外周に隣接して第（ｉ＋１）の屈折率領域がリング状に形成され、
（２）ｉ＝ｘの場合には、第ｉの屈折率領域の外周に隣接して、第１の屈折率領域がリング状に形成されており、
当該第１〜第ｘの屈折率領域の幅ｄ１〜ｄｘが当該リングの内周と外周との半径の差であることを特徴とする、請求項４に記載の屈折率制御型回折光学素子。
【請求項７】
同心円の中央からｍ番目のリングの内周の半径及び（ｍ−１）番目のリングの外周の半径を表す半径ｒが、レンズの焦点距離をｆ，回折させる光の波長λとして、以下の式
2007025177.tif 000007
で表されることを特徴とする、請求項６記載の屈折率制御型回折光学素子。
【請求項８】
パルスレーザにより透明材料に書き込まれる２次元的な屈折率分布を有する回折光学素子の製造方法であって、
当該透明材料に集光点を形成するように、パルスレーザを照射しながら、当該パルスレーザに対して当該透明材料を所定の速度で相対的に運動させて当該集光点を走査させ、当該集光点の走査した部分の近傍で屈折率ｎ１，幅ｄ１を有する第１の屈折率領域を形成させる工程と、
以下、２≦ｉ≦ｘにおけるｉの各整数値について、同様の方法によって、当該集光点の走査した部分の近傍で屈折率ｎｉ（ｎｉ≠ｎｉ−１とする），幅ｄｉを有する第ｉの屈折率領域を、第（ｉ−１）の屈折率領域について第（ｉ−２）の屈折率領域とは反対側に（ｉ＝２のときは任意の側に）隣接して形成させる工程と
を含むことを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子の製造方法。
【請求項９】
当該透明材料に対して多光子吸収を起こさせる性質を有するパルスレーザを用いて、当該透明材料に集光照射させることを特徴とする、請求項８記載の屈折率制御型回折光学素子の製造方法。
【請求項１０】
当該透明材料がシリカガラスまたは単結晶サファイヤであることを特徴とする、請求項８〜９に記載の屈折率制御型回折光学素子の製造方法。
【請求項１１】
当該透明材料と当該パルスレーザとの相対的な走査速度を変えながら、当該透明材料に当該パルスレーザを集光照射させることを特徴とする、請求項８〜１０に記載の屈折率制御型回折光学素子の製造方法。
【請求項１２】
当該パルスレーザのレーザ強度を変えながら、当該透明材料に当該パルスレーザを集光照射させることを特徴とする、請求項８〜１０に記載の屈折率制御型回折光学素子の製造方法。
【請求項１３】
当該透明材料への当該パルスレーザの走査間隔を変えながら、当該透明材料に当該パルスレーザを集光照射させることを特徴とする、請求項８〜１０に記載の屈折率制御型回折光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明材料の内部に形成し、屈折率を変化させた領域の相互間、もしくは屈折率を変化させた領域と屈折率を変化させない領域との間における回折現象を利用した屈折率制御型回折光学素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
透明材料に、基板周囲とは屈折率が異なる領域によって形成される屈折率分布型光学素子は、光通信や光学デバイスをはじめとした、広範な用途に用いられている。その中でも、屈折率分布型レンズは、通常の球面レンズでは製作が不可能であるような、極めて多数かつ高集積度のアレイ体を容易に得ることができるので、ＣＤやＤＶＤのピックアップ部品等の用途に用いられている。
【０００３】
こうした屈折率分布型レンズの中でも、光の回折現象を応用したバイナリレンズは、レンズの厚さが薄くなるため、応用デバイスの小型軽量化が可能になるという利点がある。特に、パルスレーザの多光子吸収により屈折率分布型光学素子を形成すると、透明材料の内部に屈折率の変化した領域を作ることが出来るため、光学素子の堅牢さの面からも好ましい。
【０００４】
そして、ガラスやサファイヤなどの透明物質の内部にバイナリレンズを形成する方法として、例えば特許文献１が知られている。これは、ガラス内部に所定ピッチで同心円状に屈折率を変化させた、複数のリング状の領域と、当該領域の周囲に形成したリング状の屈折率を変化させない領域とが交互に形成されていることを特徴とするバイナリレンズであり、ガラス内部に一定のレーザ出力を有するパルスレーザ光を一定速度で走査させた例が示されている。
【０００５】
また、バイナリレンズの回折効率をより向上させ、或いはより複雑な光制御に対応させるため、非特許文献１に示すような技術が知られている。これは、透明材料であるシリカガラスに対し、屈折率を一定量だけ変化させた領域を、被回折光の進行方向に対して階段状に作製することで、バイナリレンズ等の回折レンズにするものであり、回折面に対して擬似的にブレーズ化を行い、回折光の進行方向を制限しているものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３５８０９号公報（００１３〜００１５段落）
【０００７】
【非特許文献１】Ｙａｍａｄａ  Ｋ.,  ｅｔ  ａｌ.,  Ｏｐｔｉｃｓ  ｌｅｔ.  Ｖｏｌ.２９  Ｎｏ.１６（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１の例におけるバイナリレンズでは、ガラス内部に一定のレーザ出力を有するパルスレーザ光を一定速度で走査させており、この場合、屈折率が一定量変化した領域と未変化の領域とによってバイナリレンズが形成される。そのため、図１に示すように、理想の曲面形状に相当した屈折率分布に比べても誤差が生じるため、当該バイナリレンズの回折効率が、ひいては当該バイナリレンズの性能が、限定的になるという問題点があった。
【０００９】
また、非特許文献１に係る技術では、透明材料内部の屈折率を変化させた領域のステップの段数が増えることで、加工プロセスも大幅に増えてしまう。そのため、加工に要する時間が大幅に増加するという問題点があった。
【００１０】
また、非特許文献１に係る技術では、透明材料内部に屈折率を変化させた領域のステップを形成させると、当該領域が当該回折光学素子の光軸に対して非対称になっていた。さらに、特に屈折率を変化させた領域のステップの段数が増加すると、バイナリレンズの焦点距離が理論値から大きくずれてしまうという問題点があった。
【００１１】
さらに、非特許文献１に係る技術では、透明材料内部の屈折率を変化させた領域のステップの段数を増やすと、屈折率を変化させた領域の厚さもそれだけ大きくなり、バイナリレンズそのものの厚みが大きくなってしまう。それにより、バイナリレンズ最大の長所である薄型化の効果を弱めてしまうという問題点があった。
【００１２】
このことは、バイナリレンズに限らず、回折素子全般についても同様のことがいえる。特定次数への回折効率を高めるために、透明材料内部の屈折率を変化させた領域のステップの段数を増やしてブレーズ化のレベルを高めようとすると、当該ステップの段数に応じてパルスレーザの走査回数が増加するために製造工程は煩雑になって加工時間が大幅に増加し、形成される回折素子も厚いものとなってしまうという問題点があった。
【００１３】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、特定次数への回折効率の高さと素子そのものの薄さとを併せ持った、回折光学素子を得ることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、回折光学素子の薄さを維持しつつ、当該素子のより高効率な回折光学素子を形成するには、種々のレーザ出力のパルスレーザ，種々のレーザ走査速度，又は種々のパルスレーザの走査間隔によって、種々の屈折率を有する領域を透明材料内に形成することが重要であることを見出し、本発明を完成させた。
【００１５】
すなわち、請求項１記載の発明は、透明材料に書き込まれる２次元的な屈折率分布を有する回折光学素子であって、当該透明材料に屈折率ｎ１，幅ｄ１を有する第１の屈折率領域が形成され、以下、２≦ｉ≦ｘにおけるｉの各整数値について、屈折率ｎｉ（ｎｉ≠ｎｉ−１とする），幅ｄｉを有する第ｉの屈折率領域が、第（ｉ−１）の屈折率領域について第（ｉ−２）の屈折率領域とは反対側に（ｉ＝２のときは任意の側に）隣接して形成されていることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子である。
【００１６】
ここで，例えば同心円状に２次元的な屈折率分布が形成されている場合には、第２の屈折率領域が第１の屈折率領域の内側（又は外側）に隣接しているとき、第ｉの屈折率領域が第（ｉ−１）の屈折率領域の内側（又は外側）に隣接して形成されるように構成される。
【００１７】
ここで、第１〜第ｘの屈折率領域の一部について、屈折率を変化させない領域で構成すると、当該未変化領域にあたる部分に係る形成工程を省略することが出来るため好ましい。また、上記した屈折率領域の数ｘの値は、２以上（但し、パルスレーザにより屈折率を変化させない領域を屈折率領域として用いる場合は、３以上）の整数を適用することが可能である。
【００１８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の構成に加えて、透明材料の内部に第１〜第ｘの屈折率領域が形成されていることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子である。
【００１９】
請求項３記載の発明は、請求項１〜２記載の構成に加えて、当該透明材料がシリカガラスまたは単結晶サファイヤであることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子である。
【００２０】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３記載の構成に加えて、第１の屈折率領域が、当該第ｘの屈折率領域について第（ｘ−１）の屈折率領域とは反対側に隣接しており、第１〜第ｘの屈折率領域の屈折率が、ｎ１からｎｘに至るまで、一定値ずつ漸増又は漸減することを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子である。
【００２１】
ここで、屈折率を変化させたときの屈折率がもとの屈折率よりも大きくなるような加工条件では、第１又は第ｘの屈折率領域を屈折率未変化領域とし、各屈折率領域の屈折率が、第ｘ又は第１の屈折率領域に至るまで漸増するように構成することが好ましい。また、屈折率を変化させたときの屈折率がもとの屈折率よりも小さくなるような加工条件では、第１又は第ｘの屈折率領域を屈折率未変化領域とし、各屈折率領域の屈折率が、第ｘ又は第１の屈折率領域に至るまで漸減するように構成することが好ましい。
【００２２】
請求項５記載の発明は、請求項４記載の構成に加えて、当該回折光学素子がグレーティングとして用いられるものであり、第１〜第ｘの屈折率領域が各々平行に形成されており、当該第１〜第ｘの屈折率領域の幅ｄ１〜ｄｘが相等しいことを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子である。
【００２３】
ここで、各屈折率領域の間隔Ｄは、屈折率領域の数ｘについて
【数１】
2007025177.tif 000003
と表されるような間隔を有するように形成されている。
【００２４】
請求項６記載の発明は、請求項４に記載の構成に加えて、当該回折光学素子がバイナリレンズとして用いられるものであり、
当該２次元的な屈折率分布が，第１〜第ｘの屈折率領域が屈折率の小さい順又は大きい順に同心円状に並ぶような繰返しパターンを有するものであって、
当該同心円の中央には、第ｊ（１≦ｊ≦ｘ）の屈折率領域が第１の同心円を外周とした円形に形成されており、
以下、（１）１≦ｉ≦（ｘ−１）の場合には、第ｉの屈折率領域の外周に隣接して第（ｉ＋１）の屈折率領域がリング状に形成され、
（２）ｉ＝ｘの場合には、第ｉの屈折率領域の外周に隣接して、第１の屈折率領域がリング状に形成されており、
当該第１〜第ｘの屈折率領域の幅ｄ１〜ｄｘが当該リングの内周と外周との半径の差であることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子である。
【００２５】
ここで、上記バイナリレンズは、第１の屈折率領域から第ｘの屈折率領域に至るまで、各屈折率領域の屈折率が外側に向かって漸増するようなパターンを繰返すような構成を取る場合、当該バイナリレンズは、凹レンズと同様の作用を有するものとなる。
【００２６】
ここで、上記バイナリレンズは、第１の屈折率領域から第ｘの屈折率領域に至るまで、各屈折率領域の屈折率が外側に向かって漸減するようなパターンを繰返すような構成を取る場合、当該バイナリレンズは、凸レンズと同様の作用を有するものとなる。
【００２７】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の構成に加えて、同心円の中央からｍ番目のリングの内周の半径及び（ｍ−１）番目のリングの外周の半径を表す半径ｒが、レンズの焦点距離をｆ，回折させる光の波長λとして、以下の式
【数２】
2007025177.tif 000004
で表されることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子である。
【００２８】
請求項８記載の発明は、パルスレーザにより透明材料に書き込まれる２次元的な屈折率分布を有する回折光学素子の製造方法であって、当該透明材料に集光点を形成するように、パルスレーザを照射しながら、当該パルスレーザに対して当該透明材料を所定の速度で相対的に運動させて当該集光点を走査させ、当該集光点の走査した部分の近傍で屈折率をｎ１に変化させて、幅ｄ１を有する第１の屈折率領域を形成させる工程と、以下、２≦ｉ≦ｘにおけるｉの各整数値について、同様の方法によって、当該集光点の走査した部分の近傍で屈折率ｎｉ（ｎｉ≠ｎｉ−１とする），幅ｄｉを有する第ｉの屈折率領域を、第（ｉ−１）の屈折率領域について第（ｉ−２）の屈折率領域とは反対側に（ｉ＝２のときは任意の側に）隣接して形成させる工程とを含むことを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子の製造方法である。
【００２９】
請求項９記載の発明は、請求項８記載の構成に加えて、当該透明材料に対して多光子吸収を起こさせる性質を有するパルスレーザを用いて、当該透明材料に集光照射させることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子の製造方法である。
【００３０】
請求項１０記載の発明は、請求項８〜９記載の構成に加えて、当該透明材料がシリカガラスまたは単結晶サファイヤであることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子の製造方法である。
【００３１】
請求項１１記載の発明は、請求項８〜１０記載の構成に加えて、当該透明材料と当該パルスレーザとの相対的な走査速度を変えながら、当該透明材料に当該パルスレーザを集光照射させることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子の製造方法である。
【００３２】
ここで、透明材料へのパルスレーザの相対的な走査速度を適宜変化させることによって、各屈折率領域の屈折率の変化量を調節し、第１〜第ｘの屈折率領域を形成させる場合、屈折率変化量の小さいところでは当該走査速度を速く、屈折率変化量の大きいところでは当該走査速度を遅くする。このとき、レーザ出力を変化させる必要がないため、より安定したレーザ出力を得られ、より高精度な屈折率変化を当該回折光学素子に対して行わせることが出来る。
【００３３】
請求項１２記載の発明は、請求項８〜１０記載の構成に加えて、当該パルスレーザのレーザ強度を変えながら、当該透明材料に当該パルスレーザを集光照射させることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子の製造方法である。
【００３４】
ここで、パルスレーザのレーザ強度を適宜変えることによって、各屈折率領域の屈折率の変化量を調節し、第１〜第ｘの屈折率領域を形成させる場合、屈折率変化量の小さいところでは当該レーザ強度を小さく、屈折率変化量の大きいところでは当該レーザ強度を大きくする。このとき、各屈折率領域内の屈折率にばらつきが無く、回折光学素子の精度を高められる。また、レーザ加工速度を落とす必要がないため、当該回折光学素子の加工効率が悪くならない。
【００３５】
請求項１３記載の発明は、請求項８記載の構成に加えて、当該透明材料への当該パルスレーザの走査間隔を変えながら、当該透明材料に当該パルスレーザを集光照射させることを特徴とする、屈折率制御型回折光学素子の製造方法である。
【００３６】
ここで、透明材料へのパルスレーザの走査間隔を適宜変えることによって、各屈折率領域の屈折率の変化量を調節し、第１〜第ｘの屈折率領域を形成させる場合、例えば屈折率の変化量を大きくするようなレーザ出力でパルスレーザを設定し、屈折率変化量の小さいところでは当該走査間隔を疎に、屈折率変化量の大きいところでは当該走査間隔を密にすることで、回折光学素子の製造に必要なパルスレーザの走査量を減らすことが出来る。そのため、当該回折光学素子の加工効率をより良くすることが出来る。
【発明の効果】
【００３７】
本発明に係る屈折率制御型回折光学素子によれば、複数の屈折率を有した屈折率領域を用いて２次元的な屈折率分布を形成させる構成を用いることにより、透明材料内部に形成させる各屈折率領域の屈折率を細分化し、当該回折光学素子のブレーズ化のレベルを高めることが出来る。そのため、当該回折光学素子の特定次数への回折効率の向上と、回折光学素子の薄型化を両立させることが出来るという効果を奏する。
【００３８】
また、本発明の請求項２に係る屈折率制御型回折光学素子によれば、第１〜第ｘの屈折率領域が透明材料の内部に形成されていることにより、回折光学素子の薄型化を実現しつつ、各屈折率領域が露出することなく当該透明材料の表面により保護することが出来るため、当該屈折率領域が劣化することを防止することが出来るという効果を奏する。
【００３９】
また、本発明の請求項３に係る屈折率制御型回折光学素子によれば、シリカガラスまたは単結晶サファイヤを透明材料として用いることにより、当該回折光学素子を薄型化させても、充分な機械的強度を維持することが出来るという効果を奏する。
【００４０】
また、本発明の請求項４に係る屈折率制御型回折光学素子によれば、第１の屈折率領域を当該第ｘの屈折率領域について第（ｘ−１）の屈折率領域とは反対側に隣接させて、第１〜第ｘの屈折率領域を繰返しパターンとすることで、同一の屈折率を有する領域を同一回折光学素子内で複数用いることにより、各屈折率領域を形成するときの屈折率の管理が容易になるという効果を奏する。
【００４１】
また、本発明の請求項５に係る屈折率制御型回折光学素子によれば、第１〜第xの屈折率領域を各々平行に形成し、当該領域の幅を相等しくすることで、光の入射する面が表裏のいずれかであるかによらずに、特定次数への回折効率が特に優れたグレーティングを得ることが出来るという効果を奏する。
【００４２】
また、本発明の請求項６及び７に係る屈折率制御型回折光学素子によれば、特定の屈折率領域を当該同心円の中央に円形に形成し、その周囲に各屈折率領域を各々リング状に形成し、これらをそれぞれ所定の式により求められる大きさとすることで、光の入射する面が表裏のいずれかであるかによらずに高い回折効率を有し、なおかつ光軸方向に薄型化することで、焦点距離の高精度なバイナリレンズを得ることが出来るという効果を奏する。
【００４３】
一方、本発明に係る屈折率制御型回折光学素子の製造方法によれば、パルスレーザの集光照射により任意の屈折率を有した屈折率領域を形成させることが出来る。特に、当該回折光学素子のブレーズ化のレベルを高めるために、透明材料内部に形成させる各屈折率領域の屈折率を変化させるときも、パルスレーザの走査回数が殆ど増加しない。そのため、特にレベル数が大きく回折効率の高い回折光学素子を形成させる際の、レーザ加工の加工時間を大幅に短縮させることが出来るという効果を奏する。
【００４４】
また、本発明の請求項９に係る屈折率制御型回折光学素子の製造方法によれば、当該透明材料に対して多光子吸収を起こさせる性質を有するパルスレーザを用いて、当該透明材料に集光照射させることにより、当該透明材料内部への当該屈折率領域の作成を容易に行うことが出来るという効果を奏する。
【００４５】
また、本発明の請求項１１〜１３に係る屈折率制御型回折光学素子の製造方法によれば、走査速度，レーザ強度，又はパルスレーザの走査間隔という連続的なパラメータを用いてレーザ加工領域の屈折率を調節することにより、各屈折率領域の屈折率を任意の値に調節できる。そのため、最適化された屈折率分布のレンズ形成が容易になるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本実施形態は、パルスレーザ３の集光照射によって生じる多光子吸収により、透明材料１の内部に２次元の屈折率パターン４を形成した、屈折率制御型回折光学素子の製造方法である。
【００４７】
本実施形態に用いる透明材料１としては、パルスレーザ３の照射により屈折率が変化する材料を用いることが出来る。ここで特に、透明材料１の内部に屈折率パターン４を形成させる場合には、パルスレーザ３を透明材料１に多光子吸収させる必要があるため、集光照射するパルスレーザ３の波長域における吸収が小さく、当該多光子吸収時に屈折率変化が生じるような材料である必要がある。具体的には、シリカガラスやホウケイ酸ガラス等のガラス、石英やサファイヤ単結晶等の酸化物結晶を用いることが可能である。
【００４８】
ここで、波長８００ｎｍのチタン−サファイヤレーザをパルスレーザ３として用いた場合には、シリカガラスまたは単結晶サファイヤを透明材料１として用いることにより、当該回折光学素子の機械的強度が強くなり、当該回折光学素子を薄型化させても充分な機械的強度を維持することが出来るため好ましい。その一方で、パルスレーザ３の集光照射による屈折率の変化量を大きくすることができるため、最終的に形成される回折光学素子について、より長い波長の光に対応したものを形成することが可能であり好ましい。
【００４９】
なお、特に回折させる光の波長が長い場合等のように、パルスレーザ３の集光照射による屈折率の変化量が充分に得られない場合には、当該屈折率パターン４を厚さ方向に二重に並べて形成させることで、これを補うことが可能である。その際には、先に形成された屈折率領域による悪影響を防ぐため、パルスレーザ発光源３ａから遠い側から順次加工を行っていくことが好ましい。
【００５０】
当該透明材料１は、パルスレーザ３の集光照射に先立って、予め表面を研磨等により平坦にしておく。当該透明材料１の表面を平坦に整えることで、パルスレーザ３を集光させた時の焦点３ｃの位置を安定させ、より高精度に回折光学素子を形成できるためである。研磨等の手段としては、固定砥粒を用いた手段，流動砥粒を用いた手段等、公知の方法を適用することが出来る。
【００５１】
表面を平坦にした透明材料１は、パルスレーザ照射装置の載置台２に載せる。そして、レーザ発光源３ａから発生させたパルスレーザ３を集光レンズ３ｂによって集光させ、当該透明材料１に照射させる。
【００５２】
ここで、透明材料１に集光照射させるパルスレーザ３としては、当該透明材料１に対して多光子吸収を起こさせる性質を有するものを用いることが好ましく、具体的には、１００ｆｓ（１ｆｓ＝１０−１５ｓ）〜１ｐｓのパルス幅を有することが好ましい。当該パルス幅を持つレーザは１０ＴＷ／ｃｍ２以上のレーザ強度を有しており、このようなレーザ強度を持つパルスレーザ３の焦点３ｃの近傍において、多光子吸収によって透明材料１を改質させることが出来る。
【００５３】
このような多光子吸収による透明材料１の改質の場合には、当該多光子吸収部の近辺への熱拡散は殆ど発生せず、当該パルスレーザ３の焦点３ｃの近傍のみを改質させることができるため、微小な屈折率パターン４の形成には非常に好適である。このような条件を満たすパルスレーザ３としては、チタン−サファイヤレーザが好適である。
【００５４】
また、当該パルスレーザ３の繰返し周期は、当該パルスレーザ３の各パルスによって加工される領域の重なりが最適になるように、走査速度に応じて変化させることが好ましい。ここで特に、繰返し周期が１ｋＨｚ以下であると、当該パルスレーザ３による加工速度が極端に遅くなり、好ましくない。
【００５５】
一方で、当該パルスレーザ３は、透明材料１の内部に焦点３ｃが来るように集光させ照射させることが好ましい。透明材料１の内部にパルスレーザ３を集光照射させることで、屈折率パターン４を透明材料１の内部に形成された回折光学素子を形成させることが出来る。それにより、回折光学素子の薄型化を実現しつつ、当該屈折率パターン４が露出することなく、当該透明材料１の表面によって、素子部分を保護することが出来る。
【００５６】
このようにして、パルスレーザ３を透明材料１に集光照射させるとともに、載置台２に取り付けられたＸＹＺステージ等の手段により、当該パルスレーザ３に対して当該透明材料１を所定の速度で相対的に運動させて当該集光点を走査させて、当該集光点の走査した部分の近傍で当該透明材料１の屈折率を変化させ、屈折率パターン４を形成させていく。
【００５７】
このとき、当該屈折率パターン４は、例えば図２に示すように、２次元的に複数の屈折率に変化した形状を有するようにする。具体的には、幅ｄ１を有する第１の屈折率領域４ａを有し、以下、２≦ｉ≦ｘにおけるｉの各整数値について、第（ｉ−１）の屈折率領域について第（ｉ−２）の屈折率領域とは反対側に（ｉ＝２のときは任意の側に）隣接するように、第ｉの屈折率領域４ｉを有する形状である。ここで、第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘにおける屈折率は、隣接する屈折率領域における屈折率とは異なるようにする。
【００５８】
さらに、当該第１の屈折率領域４ａを、当該第ｘの屈折率領域４ｘについて第（ｘ−１）の屈折率領域とは反対側に隣接させて形成し、第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘの間で、各屈折率領域の屈折率が、第１の屈折率領域の屈折率ｎ１から第ｘの屈折率領域の屈折率ｎｘに至るまで、一定値ずつ漸増又は漸減していくような構成の繰返しパターンにして、屈折率そのものを階段状の分布にすることで、屈折率の管理が容易になるため好ましい。
【００５９】
ここで、各屈折率変化領域を形成させる際には、第１〜第ｘの屈折率領域のうち１つ以上の領域について、屈折率を変化させない領域で構成すると、当該未変化領域にあたる部分に係る形成工程を省略することが出来るため好ましい。
【００６０】
上記第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘを形成させるに当たり、パルスレーザ３の照射により、単一の透明材料１に対して複数の屈折率に変化させる方法としては、以下の第１〜第３の方法を用いることが好ましい。
【００６１】
第１の方法は、当該透明材料１と当該パルスレーザ３との相対的な走査速度を適宜変えながら、当該透明材料１に当該パルスレーザ３を集光照射させて、第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘを形成させる方法である。
【００６２】
ここで、透明材料１へのパルスレーザ３の相対的な走査速度の変化によって屈折率変化量を調節する場合、屈折率変化量の小さいところでは当該走査速度を速く、屈折率変化量の大きいところでは当該走査速度を遅くする。そして当該走査速度は、各屈折率領域の形成に先立って、当該回折光学素子に用いる透明材料１について、走査速度と屈折率変化との関係を求めておき、その結果を基に決定する。
【００６３】
この方法における当該パルスレーザ３の走査速度は、例えばシリカガラスを透明材料１として用いたときは、概ね０．０１〜１ｍｍ／ｓとなる。この方法では、レーザ出力を変化させる必要がないため、より安定したレーザ出力を得られ、より高精度な屈折率変化を当該回折光学素子に対して行わせることが出来る。
【００６４】
第２の方法は、当該パルスレーザ３のレーザ強度を適宜変えながら、当該透明材料１に当該パルスレーザ３を集光照射させることにより、第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘを形成させる方法である。
【００６５】
ここで、パルスレーザ３のレーザ強度の変化によって屈折率変化量を調節する場合、屈折率変化量の小さいところでは当該レーザ強度を小さく、屈折率変化量の大きいところでは当該レーザ強度を大きくする。そして当該レーザ強度は、各屈折率領域の形成に先立って、当該回折光学素子に用いる透明材料１について、レーザ強度と屈折率変化との関係を求めておき、その結果を基に決定する。
【００６６】
この方法における当該パルスレーザ３のレーザ強度は、例えばシリカガラスを透明材料１として用いたときは、概ね１００〜１０００ｍＷの範囲内で用いることが好ましい。ここで、レーザ強度を１０００ｍＷよりも大きくすると、透明材料１にクラックが走りやすくなるため好ましくない。レーザ強度を逐次変化させるこの方法では、レーザ加工速度を落とす必要がない。
【００６７】
第３の方法は、当該透明材料１に対して当該パルスレーザ３を走査させる間隔を適宜変えながら、当該透明材料１に当該パルスレーザ３を集光照射させ、第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘを形成させる方法である。
【００６８】
ここで、透明材料１に対して当該パルスレーザ３を走査させる間隔を変えることによって屈折率変化量を調節する場合、例えば屈折率の変化量を大きくするようなレーザ出力でパルスレーザ３を設定し、屈折率変化量の小さいところでは当該間隔を広く、屈折率変化量の大きいところでは当該間隔を狭くする。この方法では、回折光学素子の製造に必要なパルスレーザ３の条件を変える必要がない。
【００６９】
上記第１〜第３の方法等の手段によって各屈折率領域を形成する際、例えば当該回折光学素子をグレーティングとして形成するときは、各屈折率領域が互いに平行に形成されるように各屈折率領域を形成し、一方で、当該回折光学素子をバイナリレンズとして形成するときは、任意の屈折率領域を円形に形成し、その周囲に各屈折率領域を同心円状となるようにリング状に形成する。
【００７０】
ここで、当該回折光学素子をグレーティングとして形成するときには、例えばｘ＝４の場合における構成が図３に示されるように、当該第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘの幅ｄ１〜ｄｘが相等しく（＝ｄ）なるように形成させる。そのため、同一の屈折率領域同士の間隔Ｄは、屈折率領域の数であるｘについて、
【数３】
2007025177.tif 000005
と表されるような間隔を有するように形成することとなる。
【００７１】
一方で、当該回折光学素子をバイナリレンズとして形成するときには、当該２次元的な屈折率分布を，第１〜第ｘの屈折率領域が屈折率の小さい順又は大きい順に同心円状に並ぶような繰返しパターンとして構成し、当該同心円の中央には、第ｊ（１≦ｊ≦ｘ）の屈折率領域を第１の同心円を外周とした円形に形成し、さらに以下のような構成を取るようなものが好ましい。
（１）１≦ｉ≦（ｘ−１）の場合には、第ｉの屈折率領域の外周に隣接して第（ｉ＋１）の屈折率領域をリング状に形成する。
（２）ｉ＝ｘの場合には、第ｉの屈折率領域の外周に隣接して、第１の屈折率領域をリング状に形成する。
【００７２】
ここで、当該バイナリレンズにおける各屈折率領域の配置は、当該バイナリレンズを凹レンズとして構成する際には、上記構成に加え、第１の屈折率領域から第ｘの屈折率領域に至るまで、各屈折率領域の屈折率が外側に向かって漸増するようなパターンを繰返すような構成にする。また、当該バイナリレンズを凸レンズとして構成する際には、反対に、各屈折率領域の屈折率が外側に向かって漸減するようなパターンを繰返すような構成にする。
【００７３】
そして、当該第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘの幅ｄ１〜ｄｘは、例えばｘ＝４の場合における構成として図４が示すように、当該バイナリレンズの外側に行くほど小さくなるように構成する。具体的には、同心円の中央からｍ番目にあるリングの内周の半径，及び（ｍ−１）番目にあるリングの外周の半径を表す半径ｒが
【数４】
2007025177.tif 000006
のように表され、各屈折率領域の幅ｄ１〜ｄｘは、各屈折率領域の外周と内周との半径差となり、ｍが大きくなるほど小さくなる。ここで、ｆは当該バイナリレンズの焦点距離、λは回折させる光の波長である。また、Ｌは回折素子のレベル数と呼ばれる値であり、第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘの間で、各屈折率領域の屈折率が、第１の屈折率領域の屈折率ｎ１から第ｘの屈折率領域の屈折率ｎｘに至るまで、一定値ずつ漸増又は漸減していくような構成を取るならば、屈折率領域の数であるｘの値と等しくなる。このＬの値は、２以上（当該屈折率領域に、屈折率を変化させない領域を含む場合には、３以上）の整数を適用することが可能であるが、この値は大きいほど、例えば８レベル以上になると回折効率は９５％を超え、回折効率をより高めることが出来るので好ましい。
【００７４】
ここで、当該凹レンズ又は凸レンズの中心部に形成する円形の屈折率領域は、第１〜第ｘの屈折率領域４ａ〜４ｘのうち任意の屈折率領域を用いて構成させることが可能であるが、当該中心部は最も面積が大きくなることから、屈折率を変化させない領域を当該領域に充当させれば、当該凹レンズ又は凸レンズの形成工程に要する時間を短縮化させることが出来るため好ましい。
【００７５】
このようにして、各屈折率領域を形成した透明材料１は、グレーティング又はバイナリレンズ、ひいては回折光学素子として、産業上の利用に供することが出来る。
【実施例】
【００７６】
本発明を、以下の実施例及び図６，図８を用いて詳細に説明する。
［実施例１］
本実施例は、図６に示すように、透明材料１として合成石英を用い、その内部に、第１〜第４の屈折率領域４ａ〜４ｄからなり、位相変化量が４種類の領域からなる、いわゆる４レベルのグレーティングを形成したものである。
【００７７】
本実施例で用いる合成石英としては、厚さ４ｍｍの平板状のものを用い、予めその両面に研磨を行って表面を平坦にした。そして、当該合成石英を載置台２に設置し、パルス幅１５０ｆｓ、繰返し周期２００ｋＨｚ、レーザ出力５５０ｍＷのパルスレーザ３をレーザ発光源３ａから発生させ、当該パルスレーザ３について集光レンズ３ｂを用いて当該合成石英の厚さの中心部分に集光させて焦点３ｃを形成させた。そして、当該焦点３ｃを走査させ、各屈折率領域を２次元的に作成した。
【００７８】
ここで、第１の屈折率領域４ａは、屈折率を変化させない領域とした。また第２の屈折率領域４ｂは、パルスレーザ３の走査間隔を２.５０μｍとして、走査速度４００μｍ／ｓで形成した。また第３の屈折率領域４ｃは、パルスレーザ３の走査間隔を０.６３μｍとして、走査速度４００μｍ／ｓで形成した。さらに第４の屈折率領域４ｄは、パルスレーザ３の走査間隔を０.６３μｍとして、走査速度１００μｍ／ｓで形成した。ここで、各屈折率領域は各々等しい幅になるように形成し、図５（ａ）に示すように、第１の屈折率領域４ａ、第２の屈折率領域４ｂ、第３の屈折率領域４ｃ、第４の屈折率領域４ｄの順に、繰返しパターンを形成し、屈折率パターン４とした。第１〜第４の屈折率領域４ａ〜４ｄの幅はそれぞれ６.２５μｍで各々等しくなるようにして、これらは各々平行に形成されるようにした。
【００７９】
その結果、形成されたグレーティングの正面の写真は図６（ａ）のような縞状のパターンになった。一方で、当該グレーティングの断面の写真は図６（ｂ）のようになり、加工領域の厚さは１３０μｍとなった。そして、グレーティングの表側から入射した場合，グレーティングの裏側から入射した場合のいずれにおいても、１次回折光の回折効率は共に４５％であり、光の入射する面の表裏で同様の回折効率を有するグレーティングが形成された。
【００８０】
［比較例１］
比較例として、図７に示すように、上記手順で準備された平板状の合成石英に対し、実施例に用いたものと同じ条件のパルスレーザ３を用いて、屈折率パターン４を被回折光の進行方向に対して階段状に形成した。
【００８１】
ここで、当該屈折率パターン４は、本実施例に係る第２の屈折率領域と同じ条件、すなわち、パルスレーザ３の走査間隔を２.５０μｍとして、走査速度４００μｍ／ｓで当該パルスレーザ３を走査させて形成した。そして、第３，第４の屈折率領域に相当する部分は、当該屈折率パターン４の厚さがそれぞれ２倍，３倍となるように、加工領域を２層，３層に重ねることで形成した。ここで、加工領域が０層（屈折率未変化領域），１層，２層，３層重なった領域は各々等しい幅になるように形成し、図５（ｂ）に示すように、屈折率未変化領域４Ａ，加工領域が１層重なった領域４Ｂ，加工領域が２層重なった領域４Ｃ，屈折率変化層が３層重なった領域４Ｄの順に、繰返しパターンを形成した。領域４Ａ〜４Ｄの幅はそれぞれ６.２５μｍで各々等しくなるようにして、これらは各々平行に形成されるようにした。
【００８２】
その結果、形成されたグレーティングの正面の写真は図７（ａ）のように、上記実施例１と同様の縞状のパターンになった。一方で、当該グレーティングの断面の写真は図７（ｂ）のようになり、加工領域の厚さは２５０μｍとなり、上記実施例１の約２倍の厚さになった。そして、グレーティングの表側から入射した場合の１次回折光の回折効率は４６％となった。その一方で、グレーティングの裏側から入射した場合の１次回折光の回折効率は３７％であり、形成されたグレーティングの回折効率は、光の入射する面の表裏で異なるものとなった。
【００８３】
［実施例２］
本実施例は、図８に示すように、透明材料１として合成石英を用い、その内部に、第１〜第４の屈折率領域４ａ〜４ｄからなり、位相変化量が４種類の領域からなる、いわゆる４レベルのバイナリレンズを形成したものである。
【００８４】
本実施例で用いる合成石英としては、厚さ４ｍｍの平板状のものを用い、予めその両面に研磨を行って表面を平坦にした。そして、当該合成石英を載置台２に設置し、パルス幅１５０ｆｓ、繰返し周期２００ｋＨｚのパルスレーザ３をレーザ発光源３ａから発生させ、当該パルスレーザ３について集光レンズ３ｂを用いて当該合成石英の厚さの中心部分に集光して焦点３ｃを形成させた。そして、当該焦点３ｃを走査速度２５μｍ／ｓで走査させ、当該パルスレーザ３の走査間隔を２.５μｍとして、各屈折率領域を２次元的に作成した。
【００８５】
ここで、第１の屈折率領域４ａは、屈折率を変化させない領域とした。また第２の屈折率領域４ｂは、パルスレーザ３のレーザ出力を３４６ｍＷで形成した。また、第３，第４の屈折率領域４ｃ，４ｄは、当該レーザ出力をそれぞれ４７４ｍＷ，８００ｍＷとして形成した。そして、図５（ａ）に示すように、内側から第１の屈折率領域４ａ、第２の屈折率領域４ｂ、第３の屈折率領域４ｃ、第４の屈折率領域４ｄの順に、設計焦点距離を１５ｍｍとして、上記［数２］に示す式に従って繰返しパターンを形成して、これらを屈折率パターン４とした。
【００８６】
その結果、形成されたバイナリレンズの正面の写真は図８（ａ）のような同心円状のパターンになった。当該バイナリレンズの直径は１.０６ｍｍである。一方で、当該バイナリレンズの断面の写真は図８（ｂ）のようになり、加工領域の厚さは１１０μｍとなった。そして、直径１.０６ｍｍ、焦点距離１５ｍｍ、当該バイナリレンズの焦点位置におけるスポット径が１９μｍのバイナリレンズが形成された。また、本実施例におけるバイナリレンズの加工時間は約３時間３０分であった。
【００８７】
［比較例２］
一方、実施例２の比較例として、図９に示すように、上記手順で準備された厚さ４ｍｍの平板状の合成石英に対し、実施例に用いたものと同じ条件のパルスレーザ３を用いて、屈折率パターン４を被回折光の進行方向に対して階段状に形成した。
【００８８】
ここで、当該屈折率変化層は、本実施例に係る第２の屈折率領域と同じ条件、すなわち、パルスレーザ３のレーザ出力を３４６ｍＷとして形成した。そして、上記第３，第４の屈折率領域に相当する部分は、当該屈折率領域の厚さをそれぞれ２倍，３倍となるように、当該屈折率変化層を２層，３層に重ねることで形成した。ここで、図５（ｂ）に示すように、内側から屈折率変化層を０層重ねた領域（屈折率未変化領域）４Ａ，屈折率変化層を１層重ねた領域４Ｂ，屈折率変化層を２層重ねた領域４Ｃ，屈折率変化層を３層重ねた領域４Ｄの順に、設計焦点距離を１５ｍｍとして、上記［数２］に示す式に従って繰返しパターンを形成し、これらを屈折率パターン４とした。
【００８９】
その結果、形成されたバイナリレンズの正面の写真は図９（ａ）のように、上記実施例２と同様の同心円状のパターンになった。当該バイナリレンズの直径は、上記実施例２と同様に１.０６ｍｍである。一方で、当該バイナリレンズの断面の写真は図９（ｂ）のようになり、加工領域の厚さは２６０μｍとなり、上記実施例２の２倍以上の厚さになった。ここで、当該バイナリレンズの加工領域は厚くなったため、当該バイナリレンズは、１７.９ｍｍのところで焦点を結んだ。このときの焦点位置におけるスポット径が１９μｍである。また、本実施例におけるバイナリレンズの加工時間は約６時間３０分であった。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本実施形態に係る、パルスレーザによる透明材料の加工工程を説明する図である。
【図２】本実施形態に係る回折光学素子の一例を示す概略図である。
【図３】本実施形態におけるグレーティングのうち４レベルのものについて、正面から見た態様を示す概略図である。
【図４】本実施形態におけるバイナリレンズのうち４レベルのものについて、正面から見た態様を示す概略図である。
【図５】各実施例及び比較例に係る回折光学素子について、パルスレーザによって形成する各屈折率領域について、素子の厚さ方向の配置について示した断面図である。
【図６】実施例１に係るグレーティングの正面及び断面を撮影した、光学顕微鏡像である。
【図７】比較例１に係るグレーティングの正面及び断面を撮影した、光学顕微鏡像である。
【図８】実施例２に係るバイナリレンズの正面及び断面を撮影した、光学顕微鏡像である。
【図９】比較例２に係るバイナリレンズの正面及び断面を撮影した、光学顕微鏡像である。
【符号の説明】
【００９１】
１    透明材料
２    載置台
３    パルスレーザ
３ａ  レーザ発光源
３ｂ  集光レンズ
３ｃ  焦点
４    屈折率パターン
４ａ  第１の屈折率領域
【図１】
2007025177.tif 000008
【図２】
2007025177.tif 000009
【図３】
2007025177.tif 000010
【図４】
2007025177.tif 000011
【図５】
2007025177.tif 000012
【図６】
2007025177.tif 000013
【図７】
2007025177.tif 000014
【図８】
2007025177.tif 000015
【図９】
2007025177.tif 000016